大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，給智能配電網(wǎng)升級帶來了機(jī)遇。文章首先分析了智能配電網(wǎng)的新特征，包括智能配電網(wǎng)的內(nèi)涵以及外延；然后探討了智能配電網(wǎng)的體系架構(gòu)設(shè)計需要考慮的問題，包括基本的設(shè)計原則、IEC核心標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動的體系架構(gòu)設(shè)計等方面。對智能配電網(wǎng)的體系架構(gòu)設(shè)計進(jìn)行探討，有利于實現(xiàn)未來配電網(wǎng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。
0、引言
智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是智能電網(wǎng)研究的一個熱點，也是智能電網(wǎng)研究和發(fā)展最為活躍的領(lǐng)域之一。智能電網(wǎng)相對于傳統(tǒng)電網(wǎng)產(chǎn)生的最大變革可能體現(xiàn)在配電網(wǎng)，智能配電網(wǎng)允許可再生能源和分布式發(fā)電單元的大量接入和微電網(wǎng)的運行，并鼓勵各類不同電力用戶積極參與電網(wǎng)互動：①在電力流上，由于分布式電源的接入點處于配電網(wǎng)，因此會導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)雙向電力潮流，配電網(wǎng)的調(diào)度控制和運檢管理更趨向于輸電網(wǎng)；②在信息流上，智能電網(wǎng)的信息集成和信息安全真正需要突破的瓶頸和難點也在配電網(wǎng)上，配電自動化建設(shè)既面臨信息交互技術(shù)上的難關(guān)，也面臨管理變革的不適應(yīng)；③在業(yè)務(wù)流上，配電網(wǎng)處于中間環(huán)節(jié)，上下已經(jīng)形成系統(tǒng)，既面臨配電自動化沒有形成運行管控的局面，也面臨著雙向互動服務(wù)的壓力。
大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、信息與物理融合等互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在帶動一大批新技術(shù)的同時，也給智能配電網(wǎng)的升級改造帶來了機(jī)遇。智能配電網(wǎng)架構(gòu)考慮了一系列系統(tǒng)未來運行的可能性，已超出了將電能輸送到終端設(shè)備的范圍，擴(kuò)展到了從集中發(fā)電系統(tǒng)到用戶終端電源設(shè)備及分布式電源的廣泛運行環(huán)境，提出了應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最大限度地實現(xiàn)互聯(lián)互通和資源共享。本文對智能配電網(wǎng)體系架構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了探討，使其能夠滿足未來的需求，增強(qiáng)能源服務(wù)系統(tǒng)間交互和融合的開放性和安全性。
1、智能配電網(wǎng)的新特征
智能配電網(wǎng)是一個配電自動化完全覆蓋下的配電網(wǎng)絡(luò)，配電自動化管控配電網(wǎng)設(shè)備的拓?fù)溥B接關(guān)系和連接在網(wǎng)絡(luò)中每個設(shè)備的運行效率，它可以感知到每一個設(shè)備的非健康狀態(tài)和故障狀態(tài)，自動獲取電網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點越限變化數(shù)據(jù)和生產(chǎn)能效分析統(tǒng)計信息，依據(jù)配電網(wǎng)供電可靠性要求，自動化檢測出非健康配電設(shè)備的狀態(tài)并提出或執(zhí)行自愈方案，將故障排除在萌芽之中；如果發(fā)生故障可以自動化檢測出故障、定位到故障位置、隔離故障區(qū)間，提出或執(zhí)行非故障區(qū)域的供電方案。自動化提供的信息足以支持智能電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運維、優(yōu)化運行等各種應(yīng)用，滿足配電網(wǎng)企業(yè)優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)管理和安全高效運行、智慧城市和美麗鄉(xiāng)村以及現(xiàn)代社會對于供電可靠性需求。
如果要更全面地定義智能配電網(wǎng)的概念，需要充分考慮到技術(shù)的發(fā)展和變化，從內(nèi)涵和外延兩方面描述智能配電網(wǎng)的新特征。
1.1 智能配電網(wǎng)的內(nèi)涵
智能配電網(wǎng)的內(nèi)涵包括以下幾個方面：
1）具有配電自動化基礎(chǔ)。配電自動化是智能配電網(wǎng)的必要條件，這是因為配電自動化將配電網(wǎng)的實時運行、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備、用戶以及地理圖形等信息進(jìn)行集成，構(gòu)成完整的配電自動化系統(tǒng)。
2）融入互聯(lián)網(wǎng)的通信體系。對于配電網(wǎng)必須面向互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，完全改變了終端互聯(lián)的技術(shù)生態(tài)，配電自動化終端融入互聯(lián)網(wǎng)體系是必由之路。
3）無處不在的傳感器和測量裝置。大量的傳感器和智能測量，足以保證獲得系統(tǒng)運行參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)、廣域測量網(wǎng)絡(luò)、靈活的保護(hù)系統(tǒng)等，真實可靠地提供配電網(wǎng)的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)，為各類智能化的應(yīng)用提供基礎(chǔ)信息。
4）智能配電網(wǎng)主站。由于云儲存和大數(shù)據(jù)處理的出現(xiàn)，智能配電的集中處理能力得以提高，關(guān)鍵是應(yīng)用需求和體系架構(gòu)的適應(yīng)性，需求在不斷的變化，架構(gòu)必須重新設(shè)計。
5）統(tǒng)一的輸配電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。該模型可將電網(wǎng)的智能二次設(shè)備和高級分析處理程序有效納入到統(tǒng)一的分析框架體系中。
6）智能配電網(wǎng)管理。通過圖形和地理空間信息技術(shù)手段最大程度地提高一次電網(wǎng)的可見度，使得電力系統(tǒng)的運行操作可視化，同時輔以更智能、更綜合的分析應(yīng)用程序，實現(xiàn)對電網(wǎng)高效有序的管理，降低管理難度。
7）統(tǒng)一的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型。將電網(wǎng)的物理模型映射為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型，使得相關(guān)數(shù)據(jù)源以一種有效的、結(jié)構(gòu)化的、清楚的方式關(guān)聯(lián)起來，這種關(guān)聯(lián)不依賴于現(xiàn)有設(shè)備的物理特性。
8）統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。通過服務(wù)來訪問通用設(shè)備和應(yīng)用程序的處理結(jié)果，這種方式隱藏了每個設(shè)備和應(yīng)用的內(nèi)部運行細(xì)節(jié)，從而可以把系統(tǒng)組件的相關(guān)應(yīng)用當(dāng)作黑盒子來處理。
9）“即插即用”的智能裝置。智能配電網(wǎng)需要解決電網(wǎng)智能設(shè)備的配置需求、信息安全需求、數(shù)據(jù)管理和交換需求、服務(wù)質(zhì)量需求，實現(xiàn)智能裝置的“即插即用”，最大程度地減少配電設(shè)備的維護(hù)工作量。
10）高級應(yīng)用軟件。智能配電網(wǎng)通過對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的多層次分析，使得電網(wǎng)更加智能協(xié)調(diào)地運行，包括配電網(wǎng)自愈電網(wǎng)、電源和負(fù)荷自適應(yīng)平衡、分布式電源智能接入等。
11）信息安全。智能配電網(wǎng)不但能實現(xiàn)跨業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)交換和信息集成，同時也可保證信息的安全。
1.2 智能配電網(wǎng)的外延
智能配電網(wǎng)的外延包括以下4個方面：
1）配電網(wǎng)的供電與用戶的需求形成良性互動。通過智能終端提供用電和市場信息，促使用戶通過需求響應(yīng)來改變自己的用電方式，主動參與電網(wǎng)管理和市場競爭，獲取相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)利益，實現(xiàn)供需雙方互動。
2）配電網(wǎng)大量接入風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源分布式電源。接入配電網(wǎng)的分布式電源可以由配電網(wǎng)自動調(diào)節(jié)控制，微電網(wǎng)既可以自己控制又可以與配電網(wǎng)互為支持，相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)將各種分布式能源和電動汽車充放電站積極納入配電網(wǎng)管理和市場交易，充分支持環(huán)境友好的發(fā)電形式。
3）提供良好的電能質(zhì)量和供電可靠性。對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測、診斷和需求響應(yīng)，根據(jù)不同的電能質(zhì)量等級來定制電力，電能質(zhì)量可以滿足不同客戶對于電能質(zhì)量和高可靠性標(biāo)準(zhǔn)的需求。
4）精細(xì)化的配電網(wǎng)生產(chǎn)管控系統(tǒng)建設(shè)。研究配電網(wǎng)風(fēng)險管理控制系統(tǒng)，對運行中的風(fēng)險進(jìn)行提前預(yù)判，提高配電網(wǎng)的資產(chǎn)利用率，降低運行成本，減少或推遲投資。建立有效、聯(lián)動的優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，對于生產(chǎn)指揮、資產(chǎn)管理、工作流程管理、運維搶修管理和運行狀態(tài)監(jiān)測都形成在線分析和統(tǒng)計，真正支持配電生產(chǎn)的精細(xì)化管理。
2、智能配電網(wǎng)的體系架構(gòu)設(shè)計
配電網(wǎng)現(xiàn)在還未達(dá)到智能化的階段，處在智能化的進(jìn)程中，見圖1。配電網(wǎng)的業(yè)務(wù)已經(jīng)和信息化開始融合，配電自動化逐步開始建立，但隨著配電網(wǎng)的發(fā)展變化，智能配電網(wǎng)是發(fā)展的方向，構(gòu)建智能配電網(wǎng)最重要的就是建立一個支持智能化發(fā)展、進(jìn)步的體系架構(gòu)。
圖1 配電網(wǎng)智能化
智能配電網(wǎng)的體系架構(gòu)是在分析和研究智能電網(wǎng)面臨的重要發(fā)展趨勢和需求下提出的。因此構(gòu)建智能配電網(wǎng)的體系架構(gòu)，需要考慮以下5個方面。
1）高效利用已有的技術(shù)。一個從全局考慮的架構(gòu)，能幫助保證系統(tǒng)在最初建立時就有足夠的規(guī)范和設(shè)計擴(kuò)展能力來保障目前和未來兩方面的需求。架構(gòu)系統(tǒng)將實現(xiàn)與未來系統(tǒng)的整合和擴(kuò)展，它能夠做到增加一個新功能而無需整個范圍內(nèi)的升級和更換系統(tǒng)。因此如何有效利用國際開放和通用的標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)先進(jìn)的通信和計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到能源系統(tǒng)中，是實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的最重要意義，這就需要企業(yè)能夠為智能電網(wǎng)這一目標(biāo)的實現(xiàn)提供標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。
從全局角度出發(fā)，電力行業(yè)要通過對設(shè)備和管理的信息化和自動化提升技術(shù)水平，越來越多的先進(jìn)自動化技術(shù)和通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)必須支持目前的需求，并能夠滿足未來的能源結(jié)構(gòu)的變化。電力行業(yè)需要改變導(dǎo)致條塊分割的重復(fù)建設(shè)的管理體系，智能電網(wǎng)體系架構(gòu)設(shè)計上就需要克服孤立部門使用的系統(tǒng)、定義范圍太窄的標(biāo)準(zhǔn)、功能重疊的應(yīng)用、無法通信的異構(gòu)系統(tǒng)、消除互聯(lián)互通等方面的限制。一個優(yōu)秀的架構(gòu)設(shè)計能夠?qū)⒆畛醯脑O(shè)計和安裝考慮到未來的系統(tǒng)運行中，使其能夠智能開放、有效地管理并重復(fù)利用設(shè)備，延長設(shè)備的使用壽命。
2）打破系統(tǒng)的傳統(tǒng)界線，實現(xiàn)更高層次的整合。能夠跨越傳統(tǒng)的界線和阻礙，建立起一個可實現(xiàn)互操作、更好更先進(jìn)的集成系統(tǒng)，這一需求是智能架構(gòu)實現(xiàn)的核心原動力?，F(xiàn)代電力工業(yè)的變化將使各種商業(yè)實體間需要更廣泛和緊密的聯(lián)系，要求業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)可進(jìn)行互操作的系統(tǒng)集成需求。例如，電網(wǎng)希望將分布式電源、供電系統(tǒng)和用戶的設(shè)備集成在一個系統(tǒng)中，形成一個微電網(wǎng)系統(tǒng)，智能架構(gòu)就需要動態(tài)地將多種應(yīng)用程序集成到用戶可以參與操作的環(huán)境中去，因此無數(shù)技術(shù)和管理問題就要被提出，新的架構(gòu)需求設(shè)計上就必須打破傳統(tǒng)用戶的界限。
微電網(wǎng)需求的出現(xiàn)將需要一個非常廣泛層次上的系統(tǒng)間的互操作，這種層次上的互操作性是電力行業(yè)前所未有的。最終將用戶與電力系統(tǒng)并列運行，可能出現(xiàn)數(shù)萬個甚至百萬個設(shè)備高度關(guān)聯(lián)，隨之而來的是對這樣一個大系統(tǒng)的管理，這為設(shè)備使用者提出了一個非常巨大的挑戰(zhàn)。
新的架構(gòu)將發(fā)展成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)模式，消除系統(tǒng)管理間的界線，實現(xiàn)更強(qiáng)大的系統(tǒng)管理功能（包括數(shù)據(jù)管理、安全、監(jiān)控和診斷），這些功能將被直接設(shè)計和嵌入在設(shè)備中，使電力系統(tǒng)的管理更為智能、廣泛和深入。
3）核心標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動的模型架構(gòu)設(shè)計。智能架構(gòu)設(shè)計是為了更好地協(xié)調(diào)和整合各個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及滿足整個工業(yè)領(lǐng)域中正在涌現(xiàn)的各種智能電力設(shè)備和系統(tǒng)的發(fā)展需求。其中關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)是IEC的3個核心標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)是IEC61850；系統(tǒng)間的互操作標(biāo)準(zhǔn)是IEC61968；配電網(wǎng)的通用信息模型是IEC61970。行業(yè)發(fā)展的各種標(biāo)準(zhǔn)必須能夠協(xié)調(diào)作用，使它們能夠適用于更普遍的領(lǐng)域要求。
為了實現(xiàn)各種標(biāo)準(zhǔn)制定組織內(nèi)部及相互之間，以及一些企業(yè)內(nèi)部及相互之間的更高要求的整合，制定一個行業(yè)級的智能架構(gòu)是滿足這一需要的自然思路。一個架構(gòu)將成為發(fā)展和整合未來標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵角色，它不是通常意義上的單一標(biāo)準(zhǔn)，而是一個能夠提供具體連貫內(nèi)容且涉及廣范的框架。只有通過這個方法，這些標(biāo)準(zhǔn)才能夠有希望實現(xiàn)互操作并滿足未來的需要。
4）滿足不斷涌現(xiàn)的新需求。智能架構(gòu)是根據(jù)不斷涌現(xiàn)的企業(yè)級和工業(yè)級需求得出的，智能電網(wǎng)的發(fā)展導(dǎo)致新的需求層出不窮，所以新的系統(tǒng)體系架構(gòu)必須能夠有足夠的能力適應(yīng)新的需求?，F(xiàn)有的許多系統(tǒng)為了適用于未來需要都要進(jìn)行升級，沒有足夠能力適應(yīng)新需求的系統(tǒng)將遭到淘汰。
智能架構(gòu)非常重視系統(tǒng)擴(kuò)展需求以實現(xiàn)未來可能需要的系統(tǒng)運行功能，這些未來的系統(tǒng)功能是從各種不同的需求來源中總結(jié)的。許多需求是可知的，但很多需求都可以歸結(jié)于不可知需求。盡管通信、分布式計算和信息技術(shù)已經(jīng)很先進(jìn)了，這些不可知的需求還是會帶來許多安全方面的隱患。因此在設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)時，必須考慮到未來電力供應(yīng)系統(tǒng)中可能存在的未知需求。除了工業(yè)間的整合，在一些關(guān)鍵領(lǐng)域，如政策系統(tǒng)的管理和系統(tǒng)安全，也涌現(xiàn)了越來越多的需求，它們都需要在一定程度上具有足夠的安全保障，無論是現(xiàn)在還是未來。
5）面向人工智能的發(fā)展。智能架構(gòu)是要面向未來電網(wǎng)的發(fā)展，人工智能為大數(shù)據(jù)的處理和復(fù)雜問題的判斷提供了處理復(fù)雜電網(wǎng)的風(fēng)險、趨勢、故障的能力和可能；電網(wǎng)的管控和運行最終是要由機(jī)器來管理和把控的，這是智能電網(wǎng)的終極發(fā)展目標(biāo)，從人工智能發(fā)展的速度來看，實現(xiàn)這一目標(biāo)是指日可待的。
3、結(jié)語
配電網(wǎng)處在電力系統(tǒng)的中間層，將負(fù)責(zé)能量傳輸?shù)妮旊娋W(wǎng)與負(fù)責(zé)能量配置的低壓用電側(cè)互聯(lián)起來。智能配電網(wǎng)必須利用互聯(lián)網(wǎng)的思維和理念，集合電力系統(tǒng)、油氣熱力管網(wǎng)、電動汽車充換電網(wǎng)絡(luò)、供水系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)，形成一種多能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)互補(bǔ)理念下的未來能源系統(tǒng)，解決能源綠色、低碳可持續(xù)發(fā)展的問題，實現(xiàn)最為廣泛的一、二次能源網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。
智能架構(gòu)建立了一系列考慮了系統(tǒng)未來運行的可能性設(shè)想。智能架構(gòu)的范圍擴(kuò)展到了從集中發(fā)電系統(tǒng)到用戶終端電源設(shè)備及分布式電源的廣泛運行環(huán)境。智能架構(gòu)超出了將電能輸送到終端設(shè)備的范圍，提出了應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最大限度地實現(xiàn)互聯(lián)互通資源共享。通過架構(gòu)設(shè)計，使這個架構(gòu)能夠滿足未來需求的設(shè)想，對于能源服務(wù)系統(tǒng)間交互和融合，應(yīng)該在一定程度上具有開放性和安全性。
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